人造 DNA 的根本可能性

史上所有的活細胞都是四個字母的基因所產生出來的結果：A、T、C 和 G —— DNA的基本單位。但，現在有所改變了。在這場有遠景的演說中，合成生物學家佛洛伊德 E. 羅姆斯柏格向大家介紹用六個字母的 DNA 所創造出來的生物體，這是史無前例的——四個天然的字母加上兩個人造的字母，X 和 Y ——他也探討了這項突破會如何挑戰我們對於大自然設計的了解。

所有的生命，

史上所有的生物，

都是根據 DNA 中的資訊創造出來的。

那是什麼意思？

意思是，如同英語這門語言
是用字母組成的，

把字母拼成字詞之後，

我才能把今天要講的故事
說給你們聽。

DNA 是用基因字母組成的，
當它們拼成基因之後，

細胞就能夠產出蛋白質，

這些蛋白質是一串串胺基酸
摺疊而成的複雜結構，

執行一些功能，
讓細胞可以做它的工作，

說出它的故事。

英文字母表有二十六個字母，
基因字母表則有四個字母。

它們很有名，你們可能聽過，

通常直接用 G、C、
A 和 T 來表示。

但，很驚人的是，各式各樣的生命

都是由四個基因字母產生出來的。

想像一下，如果英文字母表
只有四個字，會是怎樣的狀況？

你能講出什麼樣的故事？

如果基因字母表有更多字，會如何？

更多基因字母的生命
會能夠說出不同的故事嗎？

可能會是更有趣的故事？

1999 年我在加州拉霍亞
斯克里普斯研究所的實驗室

開始探究這個問題，
目標是要創造出活的有機體，

它們的 DNA 由六個基因字母組成，

包括四個天然的字母，
再加上兩個人造的新字母。

這種有機體會是從根本上
做改變的生命形式，且史無前例。

它會是半合成的生命形式，

至今沒有任何生命
能像它儲存那麼多資訊。

它能夠製造出新蛋白質，

不單單只用那二十種常見胺基酸

而建立的蛋白質。

那樣的生命能說出什麼樣的故事？

靠著合成化學
和分子生物學的強大幫助，

只花了不到二十年，

我們就創造出 DNA
有六個字母的細菌。

讓我說一下怎麼做到的吧。

你只需要記住高中
生物學中的一樣東西，

那就是：四個天然基因字母
配對形成兩組基礎配對。

G 和 C 配對，A 和 T 配對，

所以，為了創造新字母，

我們合成了數百種新候選字母，

研究它們和彼此
做選擇性配對的能力。

經過約十五年的努力，

我們發現兩個字母
配對起來的狀況非常好，

至少在試管中是如此。

它們的名字很複雜，

就姑且稱它們為 X 和 Y。

接著我們需要做的事，
是要想辦法把 X 和 Y 放入細胞中，

終於，我們發現我們的細菌中

有一種蛋白質和
海藻的蛋白質性能類似，

所以，我們需要做的最後一件事，
就是要證明在有 X 和 Y 的前提下，

細胞仍然能夠生長和分裂，
且它們的 DNA 中保有 X 和 Y。

在那之前我們做的一切，
花的時間都比我期望的還長——

我其實是個很沒耐心的人——

但，這個最重要的步驟，
成功的速度比我夢想的還快，

基本上是立馬成功。

在 2014 的一個週末，

我實驗室裡的研究生培殖出了
DNA 有六個字母的細菌。

讓我利用這個機會
把它們介紹給各位。

這是它們的真實照片。

這些是最早的半合成有機體。

DNA 有六個字母的細菌，
真的很酷，對吧？

也許在座有些人
仍然很納悶為什麼。

讓我跟各位簡略說明
我們的一部分動機，

包括概念上和實際上的動機。

概念上，人們思考過生命是什麼、

生命和非生命的差別在哪裡，

從人會思考時就在想這些了。

許多人對於生命的詮釋就是完美，

這被視為是證明
有一個造物主存在的證據。

生物之所以不同，是因為
有一個神賦予它們生命。

其他人則用比較科學的解釋，

但我認為，可以說他們仍然
認為生命的分子是特別的。

數十億年來，演化已經
把它們最優化了，對吧？

不論你採用哪一種觀點，
似乎化學家都不可能

建造出能在生命的自然分子中運作

或與之一起運作的新部分，

而且不以某種方式把一切搞砸。

但，我們到底被
創造得／演化得多完美？

生命的分子到底有多特別？

這些問題，連要問出來都不可能，

因為我們沒有任何東西
可以拿來和生命做比較。

史上第一次，我們的研究指出

也許生命的分子並沒有那麼特別，

也許我們所知道的生命
並不是唯一的生命形式。

也許我們不是唯一的解決方案，
甚至不是最好的解決方案，

只是一種解決方案。

這些問題在談的是生命的根本議題，

但它們看似有些深奧。

那，實際的動機呢？

嗯，我們想要探究，

字彙擴大之後的生命
能夠講述怎樣的新故事，

且，別忘了，這裡的故事
指的是細胞能產生的蛋白質

及它們的功能。

所以，我們的半合成有機體
能夠製造甚至使用

怎樣的擁有新功能的新蛋白質呢？

我們有一些想法。

首先是要讓細胞為我們製造蛋白質，

讓我們使用。

現今，蛋白質被用在
很廣泛的應用領域中，

從保護士兵不受傷的材料，

到偵測危險化合物的裝置，

但，至少對我來說，

最讓人興奮的應用是蛋白質藥物。

雖然相對比較新，

但蛋白質藥物已經改革了醫學，

比如，胰島素是一種蛋白質。

你們可能聽過它，
它被當作藥物來製造，

完全改變了我們
對糖尿病的治療方式。

但，問題是，蛋白質很難製造，

取得蛋白質的唯一實際方式，
就是叫細胞為你製造。

所以，當然，你只能讓自然細胞

用自然胺基酸製造出蛋白質，

所以那些蛋白質能擁有的特性、

用它們能開發出來的應用，

都會被那些用來製造蛋白質的
胺基酸的自然本質所限制。

這就是它們，

二十種常見胺基酸，
它們結合在一起製造出蛋白質，

我想，你們可以看到，
它們看起來沒什麼差別。

它們並沒有帶來、
提供許多不同的功能。

將它和合成化學家所製造的
藥物的小分子來做比較。`

這些小分子比蛋白質更簡單許多，

但它們是由更多各式各樣的
東西例行建造出來的。

別擔心分子的細節，

但我想你們能看出它們有多麼不同。

事實上，正是它們的差異，
讓它們成為很棒的藥物，

治療不同的疾病。

所以，很刺激的地方在於，
不知道什麼樣的新蛋白質藥物

可以用來自更多樣化來源的
蛋白質開發出來。

我們能否用我們的半合成有機體

來製造出蛋白質，
且包含不同的新胺基酸，

也許是精選的胺基酸，
來賦予蛋白質

某些我們想要的特性或功能？

比如，

許多蛋白質在注射到
人體中時，就是不穩定。

它們很快就會被降解或消除，

因此它們無法成為藥物。

如果我們能用新的
胺基酸來做蛋白質，

在它們上面附加一些東西，

保護它們不受環境影響，

保護它們不被降解或消除，

讓它們能成為更好的藥物？

我們能不能在蛋白質上附加小手指，

用來定位緊抓其他的分子？

也許用小分子來開發藥物時會失敗，

是因為它們不夠明確定位，

無法在人類身體的複雜環境中
找到它們的目標。

所以，我們能不能用這些分子
來當作新胺基酸的一些部分，

當把它們整合到蛋白質中時，

該蛋白質就會引導它們找到目標？

我創立了一間生技公司，
叫做 Synthorx。

Synthorx 代表「合成有機體」，

在最後加上「X」是因為
生技公司都會這樣做。

（笑聲）

Synthorx 和我的實驗室密切合作，

他們感興趣的蛋白質，是要能夠認得

人類細胞表面上的某種受體。

但，問題是，它也會認出

同樣細胞表面上的另一種受體，

那會讓它變成有毒的。

所以，我們能否製造出
那種蛋白質的變體，

把會和第二種不良受體
發生作用的那部分給掩蓋起來，

用像大傘樣的東西把它屏蔽掉，

讓蛋白質只會和第一種
好的受體發生作用？

用常見的胺基酸會很難
或不可能做到這一點，

但若用專門為此目的而設計的
胺基酸就不用擔心了。

所以，讓我們的半合成
細胞扮演小工廠

來製造比較好的蛋白質藥物，
並非唯一有趣的應用，

因為，切記，是蛋白質
讓細胞實現它們的功能。

所以，如果有細胞能夠製造出
具有新功能的新蛋白質，

我們是否能讓它們做到
自然細胞無法做到的事？

比如，我們能否開發出
一種半合成有機體，

注射到人體中，去尋找癌細胞，

只有當找到癌細胞時，
才分泌有毒蛋白質來殺死癌細胞？

我們能否創造出一種細菌，
能吃掉不同類的油，

也許能用來清理漏油？

上述這些，只是當字彙擴展時

生命能訴說的其中幾種故事。

聽起來很棒，對吧？

將半合成有機體注射到人體中，

將數百萬加崙這種細菌倒入海洋中

或倒在你最愛的海灘上？

喔，等等，這聽起來其實挺嚇人的。

這隻恐龍挺嚇人的。

但，有個困難之處：

我們的半合成有機體為了要生存，

會需要被餵食 X 和 Y 的化學前體。

X 和 Y 和大自然中存在的
任何東西都完全不同。

細胞沒有它們，
也沒有能力製造它們。

所以，當我們在實驗室內
受控環境中製造出它們時，

我們可以餵食它們
很多非天然的食物。

接著，當我們把它們部署到
人體中或外面的海灘上，

在那些地方，它們無法
取得特別的食物，

它們可以成長一點點，
它們可以生存一會兒，

也許還夠長，足以執行
一些我們希望的功能，

但接著，它們就沒有食物可吃了。

它們會開始挨餓。

它們會餓死，然後消失。

所以，我們不只能
讓生命說新的故事，

我們也能控制生命
何時何地說新的故事。

在這場演說的一開始，
我告訴各位我們在 2014 年

創造出了半合成有機體，
能儲存更多資訊，

將 X 和 Y 存在它們的 DNA 中。

但我們剛剛談到的所有動機，

都需要細胞能夠使用
X 和 Y 來製造蛋白質，

所以我們開始處理這一點。

在幾年內，我們證明了
細胞能夠把有 X 和 Y 的 DNA

複製到 RNA，

也就是 DNA 的工作用複本。

去年底，

我們證明了它們接著還可以
用 X 和 Y 來製造蛋白質。

這就是它們，今天節目的大明星，

史上最早能夠完全
運作的半合成有機體。

（掌聲）

這些細胞是綠色的，因為它們會
製造出一種發綠光的蛋白質。

事實上，這種蛋白質很有名，

來自水母，

很多人會使用它的天然形式，

因為這樣很容易可以
看出你製造出它了。

但，在所有這些蛋白質中，

有一種新的胺基酸，

自然生命無法用它來製造蛋白質。

所有的活細胞，史上所有的活細胞，

不論是製造哪一種蛋白質，

都是用四個基因字母來製造的。

這些細胞是活的，會成長，

還會製造出六個字母的蛋白質。

它們是新的生命形式。

這是一種半合成的生命形式。

那，未來呢？

我的實驗室已經在努力擴展
其他細胞的基因字母，

包括人類細胞，

且我們已經準備好要開始
投入更複雜的有機體。

想想半合成的蟲。

我想要告訴各位的最後一件事，

也是我想告訴各位的事
當中最重要的，

就是：半合成生命的
時代已經到來。

謝謝。

（掌聲）

（掌聲結束）

克里斯安德森：佛洛伊德，
這真是了不起。

我只是想要問你，

你的研究有什麼意涵？

我們該如何看待生命的可能性，

比如，在宇宙中，其他地方？

感覺就是，生命有好大一部分，
或是說我們的假設有好大一部分

是立基在這個事實上：
它必須是 DNA，

但，自我複製分子的可能性空間

是否比 DNA 大很多，
甚至只是六個字母的 DNA？

佛洛伊德：是的，我認為沒錯。

且我認為，我們的研究顯示，

如我先前提過的，
一直以來都有一種偏見存在，

認為我們是完美的，

我們是最理想化的，
神把我們創造成這樣，

演化把我們變成這麼完美。

我們做出的分子能夠
和天然分子並存，

我認為那意味著任何分子

只要能遵守化學和物理的基本原理，

且能將它們最佳化，

那它們就能夠做到生命的
天然分子能做到的事。

這不是什麼魔法。

我認為，那意味著，
生命演化的方式有很多種，

也許類似於我們擁有
其他種 DNA 的人，

也許完全沒有 DNA 的東西。

克：在你心中，

那可能性空間有多大？

我們知道嗎？大部分的東西
都會看起來像 DNA 分子？

或是非常不同的東西
也能夠自我繁殖，

且有可能創造出活的有機體？

佛：我個人的意見是，
如果我們找到新生命，

我們可能也不會認出它。

克：所以，這種對於
尋找適居帶行星的迷戀，

一定要找到有水和其他東西的地方，

也許這樣的假設太狹礙了。

佛：如果你想要找到能說話的人，
也許這假設不算狹礙，

但如果你是要找到任何形式的生命，

那，沒錯，我想是太狹隘了，
你只想在容易找的地方找。

克：謝謝你帶來這些驚喜。
非常謝謝，佛洛伊德。

（掌聲）